磨料磨具网

　　一、前言
　　1．制造业是国民经济的支柱产业
　　美国制造业协会（AMT）2000年发表的报告指出，制造业是推动美国20世纪90年代经济增长的第一大动力。1992～1997年美国国内生产总值增长的29%来自制造业，同期美国制造业的年增长率为5.2%，高于经济的平均增长率3.1%。据统计，1992～1998年美国经济增长的24%归功于出口增长,其中制造业占整个出口的62%。制造业也是推动美国技术进步的主要力量，美国全部研究与开发投资的57%来自制造业。制造业也是我国经济高速增长的发动机。我国制造业的增长率高出国民生产总值增长率约3～8个百分点。2001年的统计数据表明，中国制造业增加值为37613.1亿元，占国民生产总值39.21%，占工业生产总值77.61%；上交税金4398.17亿元，占国家税收总额的30%和财政收入的27%；制造业出口创汇2398亿美元，占全国外贸出口总额的90%。可是我国制造业的劳动生产率只相当于美国的1/23、日本的1/25和德国和1/18，与发达国家存在着巨大差距。
　　2.刀具是制造业发展的重要基础
　　美、德、日等制造业发达的国家无一例外都是刀具工业先进的国家。先进刀具不但是推动制造技术发展进步的重要动力，还是提高产品质量、降低加工成本的重要手段。刀具与机床一直是互相制约又相互促进的。今天先进的数控机床已经成为现代制造业的主要装备，它与同步发展起来的先进刀具一起共同推动了加工技术的进步，使制造技术进入了数控加工的新时代。轿车发动机曲轴加工的进步是一个很好的例证：曲轴的加工方式在20世纪60年代为车削，70年代为铣削。前几年我们还说曲轴车—拉刀的发明使切削效率成倍提高并带来加工设备和加工方式的革命性变化，现在又出现了效率更高的曲轴高速铣刀。又如超硬刀具、陶瓷刀具和涂层刀具是和大功率、高刚性、高转速、大进给量的机床相伴产生的。除了轿车工业以外，先进的切削技术和刀具也是制造业中航空航天、能源交通、模具、电子等部门迅速发展的重要基础。
　　3.制造业的发展为刀具行业带来了空前的机遇和挑战近年来我国以轿车为代表的汽车工业取得了高速的增长。今年我国汽车和轿车的产量预计将分别达到400万辆和150万辆，中国已成为世界第五大汽车生产国。世界上汽车大国都是刀具大国，权威机构预测，到2010年中国将成为仅次于美国的世界第二大汽车生产国，随之而来的必然是对先进切削技术及刀具更大的需求。轿车工业的发展带动了我国制造业的发展和制造技术的进步，也给机床和刀具行业带来了空前的发展机遇。1999年以来我国机床消费以每年27.6％的速度增长，2002年中国已超过德国和美国成为世界最大的机床消费国。可以预料，一个先进刀具需求和消费的高潮将很快到来。
　　二、世界切削技术取得了重大进展
　　从世界范围看，随着制造业和制造技术的发展刀具和切削加工技术取得了重大进展。近20年来，数控机床、数控系统、刀具材料、涂层都有很大发展，达到了新的水平，加上刀具结构的不断创新使切削加工进入了高速切削的新阶段，其主要技术特征是切削速度有5～10倍的提高。现阶段工业生产中高速切削的实例见表1
　　表1.现阶段高速切削实例
　　铣削：CBN铣削灰铸铁－1000～2000m/min；PCD铣削铝合金－3000～4000m/min
　　车削：氮化硅陶瓷车削灰铸铁－500～700m/min；CBN车削淬火钢(60HRC)－100～200m/min；CBN车削灰铸铁刹车盘－700～1000m/min
　　钻削：整体硬质合金钻头钻灰铸铁－100m/min
　　攻丝：钴高速钢丝锥加工可锻铸铁(M14×1.5)－61m/min
　　滚齿：硬质合金滚刀加工16MnCr5－350m/min；金属陶瓷滚刀加工16MnCr5－600m/min
　　高速切削的优越性主要体现在以下方面：生产效率比10年前提高50%～100%以上；切削力小，提高了产品质量；降低了制造成本（因效率提高，加工单个零件的人工成本、机床费用大幅下降）；开发了干切削、硬切削等新工艺等。
　　下面就刀具材料、涂层和切削技术的发展及其对切削加工的影响作一简要介绍。
　　1．刀具材料
　　刀具材料的发展从高速钢→硬质合金→陶瓷→超硬材料，高性能材料不断取代低性能材料，切削速度和加工效率不断提高。表2是1998年和预测2005年刀具材料构成情况。表2.1998年和2005年刀具材料构成情况的比较
　　刀具材料－1998年－2005年
　　未涂层硬质合金－25%－17%
　　CVD涂层硬质合金－43%－38%
　　PVD涂层硬质合金－10%－15%
　　氧化铝陶瓷－4%－4%
　　氮化硅陶瓷－4%－4%
　　金属陶瓷－10%－11%
　　CBN－2%－5%
　　金刚石－3%－5%
　　金刚石涂层－0.2%－1%
　　（说明：1998年各部分比例合计大于1，原资料如此。）
　　(1)硬质合金是目前使用最多的刀具材料。为实现加工过程的优化，国内外都针对不同加工方式和被加工材料开发了系列硬质合金新牌号。各种涂层硬质合金刀具的应用范围覆盖了切削加工的大多数领域，可满足钢、铸铁、有色金属、不锈钢等各种材料的高速切削、干式切削和硬切削加工的要求。
　　细颗粒和超细颗粒硬质合金（以下统称细颗粒硬质合金）的出现是近年硬质合金的技术发展上的一个重大突破。由于细颗粒硬质合金的性能比普通硬质合金有显著的改善，使刀具的切削速度又有大的提高。此外用细颗粒硬质合金制造的中小规格钻头、丝锥和立铣刀带动了量大面广的通用刀具进入高速切削领域。上海大众先后引进的两条发动机生产线上的孔加工刀具从高速钢进步到硬质合金，从而大大提高了加工效率就是一个很好的例子。
　　(2)陶瓷刀具主要应用于耐磨材料、淬硬材料和难加工材料等的车、铣粗精加工。陶瓷材料的耐磨性高于硬质合金但比较脆。从氧化铝（Al2O3）陶瓷到混合陶瓷和氮化硅基陶瓷，一直在致力于改善陶瓷材料自身的韧性，也采取如渗入粘结材料或TiC晶须之类的措施增强韧性。现在有的陶瓷材料的性能已进入硬质合金强度和韧性的范围，应用领域也有所扩大。
　　(3)超硬刀具中，PCD已成为高效加工铝合金、非金属材料、合成材料的主要刀具材料，而CBN则在硬切削、干切削、铸铁的精加工等领域得到更广泛的应用。过去因脆性大性能不稳定而限制超硬刀具应用的瓶颈现已突破：汽车生产线上CBN刀具加工生铁缸孔的速度已达到2000m/min，PCD刀具铣削铝合金缸体的速度达到4000m/min；而航空航天部门铣削铝合金的速度已达到7000m/min。
　　（4）高性能高速钢在刀具材料中仍占有重要的一席之地。当前普通高速钢用量不断萎缩，而高性能的含钴高速钢和粉末冶金高速钢的用量在增加。以M42和ASP30为代表的钴高速钢最高淬火硬度达70HRC，而且高速钢具有强度高、刃口锋利、抗冲击、耐热振性好的独特优势。切削中消耗能量少，切削温度低，无加工硬化，工件表面质量好，在通用刀具、复杂刀具、难加工材料刀具上使用提高了切削速度和加工效率。
　　2．涂层技术
　　涂层技术的发展可以用三句话来概括：一是化学涂层目前仍是刀具涂层的主力；二是物理涂层取得了令人嘱目的进展；三是涂层对刀具性能的贡献在不断上升。
　　（1）化学涂层（CVD）目前仍是硬质合金刀具涂层的主要方式。其优点一是与刀具基体的结合强度高；二是可以很容易实现复合涂层，即根据不同加工方式和切削不同材料的需要，把抗高温氧化（Al2O3）、抗磨损（TiC、TiCN、TiBN等）和降低磨擦系数（TiN）的涂层复合起来，达到最佳的切削效果。化学涂层的不足是工艺处理温度过高（1000℃），降低了刀具基体材料的抗弯强度，涂层薄膜内部呈拉应力状态使用中易导致微裂纹的产生。涂层过程所排放的废气、废液对环境有较大污染也制约了其发展。
　　20世纪90年代中期国外出现了中温化学气相沉积（MT-CVD）技术，它是以乙腈（CH3CN）为主要反应气体，在700～900℃下与TiCl4、H2、N2产生化学反应生成TiCN的一种新方法。所生成的致密纤维状结晶形态的涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热震性及韧性。还可以在一次装炉中再通过常规CVD（高温化学气相沉积）在表层沉积上Al2O3、TiN等抗高温、氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。这种复合涂层刀具在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高1倍左右。不过乙腈（CH3CN）是一种剧毒物质，生产中必须有严格的环保措施。
　　化学涂层通过Al2O3与TiCN的复合、基体及其表层性能的改进使刀具获得优良的综合性能。CVD和MT-CVD主要用在硬质合金车、铣削类刀具上，适用于中型、重型、高速切削的粗加工及半精加工，特别在干式切削中占有很重要的地位。
　　（2）PVD涂层技术取得重大进展，品种增多，基本解决了多弧工艺的“液滴”问题，开发了纳米涂层，涂层的性能显著提高。物理涂层（PVD）因其处理温度低（可控制在500℃以下）最初只用于高速钢刀具的涂层，现在物理涂层已在硬质合金刀具上全面应用。PVD新型涂层牌号见表3。
　　表3.物理涂层新牌号
　　涂层－颜色－硬度(GPa)－厚度(μm)－摩擦系数－最高使用温度（℃）－说明
　　TiAIN单层－紫黑－35－1～4－0.5－800－通用高性能涂层
　　TiAIN多层－紫黑－28－1～4－0.6－700－适用于断续切削
　　TiCN-MP－红-铜－32－1～4－0.2－400－高韧性通用涂层
　　MOVIC－绿-灰－/－0.5～1.5－0.15－400－MoS2基涂层
　　CrN－银亮－18－1～4－0.3－700－适用于加工铜、钛
　　TiAlCN－红-紫－28－1～4－0.25－500－高性能通用涂层
　　CBC(DLC)－灰－20－0.5～4－0.15－400－润滑涂层
　　CRADVIC－灰－28－1.5～6－0.15－400－TiAlCN+CBC
　　AlTiN－黑－38－1～4－0.7－800－属高性能涂层
　　ΜAlTiN－黑－38－1～2－0.3－800－涂层表面质量好
　　AlTiN/SiN－紫兰－45－1～4－0.45－1100－纳米结构
　　在诸多物理涂层牌号中，TiAlN涂层占有重要地位。TiAlN在切削高温下分解生成的Al2O3，具有耐高温抗氧化的作用，能承受800℃的高温，扩大了物理涂层刀具的使用范围。复合涂层是物理涂层的重要发展方向：多层涂层结构可以防止裂纹扩散，使用复合涂层能获得良好的综合性能。例如，纳米结构的AlTiN/SiN薄膜涂层不仅结合强度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，而且可有效地控制精密刀具刃口形状及精度，可用于高精度加工。
　　与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下对刀具材料的抗弯强度没有影响，薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层；PVD工艺对环境没有不利影响，符合目前绿色加工的发展方向。近两年国内工具行业所引进的都是物理涂层工艺和设备。国内武汉大学武大弘毅新材料有限公司开发出纳米氮化碳（CNx）超硬涂层工艺，已被国家列为重点产业化示范工程项目。
　　国外有人把超硬涂层、高韧性超硬材料和高韧性陶瓷称做切削刀具的未来。突破CBN和CNx(氮化碳)涂层技术；开发纳米结构的涂层和新型复合涂层将对切削刀具的发展做出更大的贡献。
　　3．刀具结构的创新
　　以提高加工效率和产品质量、降低成本为目的而开发新的加工工艺、开发新的刀具结构，称之为刀具结构的创新。下面以几个例子来说明。
　　（1）插铣刀：变径向进给为垂直进给（插铣），使切削力主要沿着主轴方向（刚性最好的方向），用于切除大的余量，提高生产效率；
　　（2）大进给铣刀：这是一种小切深大进给的高效刀具，每齿进给量达3.5mm；
　　（3）多功能车刀片：减少车削加工中换刀时间，提高加工效率；
　　（4）不等分齿硬质合金立铣刀：减少铣削过程中的振动，提高加工效率和加工质量，延长刀具寿命。
　　（5）多功能铣刀：一把刀可以做纵向、横向、斜向和螺旋进给。减少换刀时间，提高铣削加工效率；
　　（6）立铣刀、钻头、丝锥等通用刀具，随着五轴联动数控工具磨床的普及，突破了标准刀具的束缚，可以根据被加工材料和改善加工条件的需要创新通用刀具的结构，达到最佳的加工效果。
　　从以上例子可看出通过刀具结构的创新往往在不增大刀具成本的前提下达到提高生产效率、提高产品质量和降低加工成本的效果。
　　三、切削工作者的历史责任
　　中国现在是一个制造大国、一个刀具使用大国，但还远远不是一个制造强国和刀具强国。国内制造业的快速发展以及切削技术的重大进步为我国切削刀具的发展提供了空前的机遇。抓住机遇在未来的5～10年间进一步提高我国切削刀具的研发和应用水平，是包括刀具技术研究、产品开发、生产制造和使用部门在内的广大切削工作者的历史重任。
　　1.大力推广先进刀具，促进产业结构调整
　　在机械加工中刀具费用虽只占很小的比例，但刀具技术的进步对加工成本的降低和产品质量的提高常常能起到事半功倍的作用。以轿车生产为例，刀具的消耗只占其制造成本的3%，但是却影响到整个制造成本的25%或更多。其原因是先进刀具的使用提高了生产效率，减少了分摊在每个零件上的人工、设备、管理、辅料等的消耗，降低了总的制造成本和提高了产品质量。
　　先进刀具的推广需要生产商和用户两个积极性。一些成功的刀具生产企业开展成功案例分析，结合用户的实际把使用高效先进刀具后增加刀具费用、提高产品质量、降低生产成本、解决生产瓶颈等算一本细账。用户在使用先进刀具后得到实实在在的好处。在生产商和用户双赢的基础上推广先进刀具。
　　越来越多的制造业的用户从推广先进刀具中得到实惠以至于更多地使用先进刀具，必定形成一个巨大的市场导向作用，推动我国工具行业的产业结构的升级。工具行业的一些大型企业围绕数控刀具正在进行新一轮的大规模技术改造，一批民营企业已经在数控刀具上树立了自己的品牌，还有的通过控股的方式进入了复杂刀具领域。他们都是先进刀具市场的先知先觉和先行者。
　　2.重视人才培养提高行业技术创新能力
　　行业的兴盛要靠不断的技术创新，而人才则是技术创新的根本动力。这些年工具行业引进了不少先进的硬质合金生产设备和涂层设备，还引进了各种加工中心和数控工具磨床，但是国内的轿车生产线和数控加工中使用的多数还是洋品牌的刀具。不是说用洋刀具不对，都加入WTO了，为了提高生产效率和产品质量谁的刀具好就用谁的。问题是同样的装备为什么做不出同样水平的产品。可想问题出在“软件”上，差距差在创新能力上，而创新的关键要有人才。
　　现在高校机制专业教学大纲中把切削原理、刀具、机械零件、公差等归并到机械设计一门课中，极大地弱化了在机械加工中占重要地位的切削技术的基础教学。加上多年培养的刀具人才大量流失，不少人到效益好的企业去从事销售工作，国内切削技术和刀具的技术研究开发后继乏人。要把我国从刀具使用大国变成刀具大国、刀具强国，就必须加快人才培养和提高行业的技术创新能力。否则我国先进刀具的推广将会成为无源之水、无本之木。以上现象已经开始引起重视，一些有战略目光的企业已开始行动：有的设立了博士后流动站，采取措施留住和吸引人才；还有的正委托中国刀协组织国内高校和企业的教授专家为员工开展培训。中国刀协将责无旁贷地和全行业一起做好这方面的培训工作，除举办各类先进刀具研讨、讲学和为企业开展人才继续教育外，还要和大家一起呼吁高校机制专业中要重视切削理论及刀具知识的教学，也要呼吁刀具制造和应用企业加强刀具专业人才的培养。
　　行业的技术创新要靠我们全体切削工作者的共同努力。刀具行业的国有企业、外资企业和民营企业有不同的企业文化背景，有各自的优势和不足。大家既是市场上的竞争对手又是合作伙伴。有个外资企业提出要与用户和竞争对手建立共赢的合作关系，表明他们既注重竞争更重视合作，并且深知只有共赢才能长期繁荣。一段时间我国工业行业通过技术引进拥有了许多先进技术和装备，近些年国外知名工具公司在国内建厂，带来了更多的先进刀具产品也带来先进的经营理念。但是“拿来主义”不适用于技术创新。况且外资企业的核心技术开发部门并没有进入我国。我们要痛下决心，在引进和自主开发的基础上搞好技术创新工作。希望经过全行业3～5年的努力，培养和吸引一批人才，在刀具材料、涂层和刀具结构上取得一批有自主知识产权的成果，使本土的工具企业真正具有强大的技术创新能力。
　　3.产学研用同心协力,提高我国金属切削刀具水平
　　当前国内刀具行业技术和市场竞争格局已现雏形。跨国刀具公司加大在中国的投资和营销力度，既带来先进的产品和技术也引发了高档刀具市场空前激烈的竞争。工具行业国有重点骨干企业为迎接市场竞争正进行新一轮的技术改造，如上海工具厂有限公司投资1.2亿的数控和超硬刀具项目，株洲硬质合金厂兴建的钻石工业园等。一批民营刀具企业已经崛起，创立了自己数控刀具的品牌。星罗棋布的中、小刀具企业都有各自的市场定位，找到了自己的生存空间。开放的市场，竞争的动力，互补的优势，合作的意愿，必将加快我国切削刀具的发展。
　　提高我国的切削技术水平，繁荣我国的刀具产业，要依靠我国境内从事切削刀具科研、生产、教学、推广、应用、管理或销售的企事业单位和个人的共同努力。中国刀协愿搭建国内切削刀具产、学、研、用互相依托、长期合作、共同繁荣的舞台。我们的教育和科研机构要以开放的姿态积极参与行业的技术创新活动，为行业培养人才，更要帮助企业提高技术创新能力；刀具行业的国有企业、外资企业和民营企业在竞争中要更注重合作，在提供先进产品的同时也提供先进的技术；应用单位要采用先进的切削技术和大力推广先进刀具，提高切削水平。
　　在十六大振兴加工制造业的方针指导下，我国制造业将持续快速发展。提高我国金属切削水平是我国境内从事刀具科研教学、产品开发、生产制造、推广应用的单位和个人的共同责任。中国刀协是“国内从事切削刀具科研、生产、教学、推广、应用、管理和销售的企事业单位和个人组成的行业学术团体”，联系着包括企业、高校、科研院所、地区刀协和媒体在内的广大会员单位，专业范围涵盖切削技术、刀具材料、涂层技术等方面。中国刀协将努力搭建切削领域产、学、研、用之间的桥梁，组织广大会员从研究—开发—生产—应用的全过程为国家重点产业服务。让我们共同努力为提高我国的切削技术水平，建设制造强国而不懈努力！